حیات چگونه شکل گرفته است؟
خدایا چیست این افسانۀ هستی
دانشمندان در طرح این پرسش‌های عمیق و زیبا با شاعران شریکند. اما در قالب پرسش‌هایی قابل پژوهش آنها را عرضه می‌کنند:
حیات چگونه شکل گرفته است؟
آیا انتخاب طبیعی نقشی در شکل‌گیری نخستین تک‌سلولی داشته است؟
قدیمی‌ترین موجود زنده به چه شکل بوده است؟
نیای مشترک همه‌ی موجودات، اولین تک‌سلولی زنده است. قبل از آن حیات به شکل غیرسلولی بوده است که به آن فوکا گویند. فوکا تا چند میلیون سال تکثیر شده، اما از یک نقطه به شکل “حیات سلولی” درآمده است و باز تکثیر شده تاجایی‌که در نقطه‌ای دیگر با تغییری که در یک تقسیم سلولی رخ داده نقطه‌ی آغاز نخستین دوشاخه‌شدن مهم در درخت حیات رقم می‌خورد و باکتری‌ها و آرکئاها (باستانیان) از هم جدا می‌شوند. به این تک‌سلولی فرضی «آخرین نیای مشترک همگانی» (لوکا) گویند.
قبل از آنکه به پژوهش جدید نشریه‌ی نیچر درباره‌ی لوکا اشاره شود اشاره به برخی پرسش‌ها درباره‌ی فوکا نیز بد نیست.
فرایندی که به زیست‌زایی (آبیوجنسیس) موسوم است و طی آن فوکا شکل‌گرفته و در ادامه به شکلی سلولی درآمده چگونه بوده است؟ نظریه‌های مختلفی وجود دارد که هرچند اجماعی بر سر آنها نیست اما مشخصا گفته می‌شود که فوکا در یک لحظه‌ی خاص شکل نگرفته است. فرایند زیست‌زایی، تدریجی و درازآهنگ بوده و به مرور به پیچیدگی‌ها افزوده شده است.
پرسش‌های نظری مهمی پیش رو است. مثلا اینکه آیا شکل‌گیری فوکا محصول تکامل است؟
اگر به این پرسش پاسخ منفی دهیم و بگوییم که فوکا محصول عملکرد انتخاب طبیعی نیست به آن معنا می‌شود که موجودی به پیچیدگی فوکا، توانسته بدون مکانیسم اصلی تکامل، یعنی بدون کمک انتخاب طبیعی، شکل بگیرد. و این تبیین‌های جایگزین بسیار پیچیده‌ای می‌طلبد.
اما اگر با پاسخی مثبت به این پرسش بگوییم که در شکل‌گیری این تک‌سلولی انتخاب طبیعی دخالت داشته است می‌توان پرسید انتخاب طبیعی چگونه ژن‌های آن را به‌وجود آورده؟ چگونه نخستین آر.ان.ای‌ها در جهانِ پیشاسلولی شکل گرفته‌اند؟ مگر نه اینکه انتخاب طبیعی بر روی خصیصههای ارث‌پذیر کار می‌کند؟ اما اگر خصیصه‌ی موردنظر ساختار خاص خود آر.ان.ای باشد، پرسش این است که پس اولین آر.ان.ای‌ها، که عامل وراثت هستند، چگونه شکل گرفته‌اند؟!
احتمالا در پاسخ باید از توارث غیرژنی سخن گوییم یا نگاهی جدید به تکامل داشته باشیم. (به عنوان نمونه این مقاله را ببینید.)
این دو راهی به خوبی نشان می‌دهد که چرا هرچند زیست‌شناسان فرضیه‌های جالبی را عرضه کرده‌اند اما رسیدن به اجماعی بر سر شکل‌گیری نخستین نیای مشترک سخت است. داروین معتقد بود که نظریه‌ی تکامل، هم چگونگی توزیع خصیصه‌ها را در تبارها توضیح می‌دهد و هم به‌وجود آمدن ساختارهای پیچیده در موجودات زنده را. اما درباره‌ی اینکه چگونه یک یا چند نیای اولیه شکل گرفته‌اند نظری نداشت هر چند که به وضوح اولین تک‌سلولی‌ها نیز بسیار پیچیده بوده‌اند و می‌بایست مشمول نظریه‌ی داروین شوند. اما داروین احتمالا معتقد نبود که انتخاب طبیعی بتواند شکل‌گیری آن را توضیح دهد. از حدود ۱۹۷۰ به بعد بود که برخی نظریه‌پردازان تکاملی بر آن شدند که نظریه‌ی تکامل را برای شکل‌گیری نخستین نیای مشترک نیز به کار گیرند و از “تکامل شیمیایی” سخن گفتند. احتمالا نظریه‌ی تکاملی گم شده که در مقالات دیگر از آن سخن رفت در اینجا کارآمد باشد.
اما سوال دیگر این است: تبار اولیه‌ای که از تک سلولی اولیه تا آخرین نیای مشترک وجود داشته بیشتر به باکتری‌ها شبیه بوده یا به آرکئاها؟ به‌طور متعارف به چند دلیل آرکئاها کاندیدای بهتری در قدیمی‌تر بودن هستند. از جمله اینکه در اعماق اقیانوس‌ها و در فشار و دمای زیاد نزدیک به آتشفشان‌های دریایی نیز یافت شده‌اند و منابع انرژی متنوع‌تری نیز دارند. اما محاسبات ملکولی که چند روز پیش نتایج آن در نیچر منتشر شده چیز دیگری می‌گوید.
محاسبات ملکولی نشان می‌دهند که آخرین نیای مشترک یا لوکا چیزی بین ۴/۵۲ تا ۴/۳۲ بیلیون سال پیش به‌وجود آمده است. اما شواهد ملکولی نشان می‌دهند قدیمی‌ترین آرکئاها صدها میلیون سال پس از پیدایی حیات به‌وجود آمده‌اند؛ یعنی حدود ۳/۹۵ تا ۳/۳۷ بیلیون سال پیش. درحالی‌که نیای مشترک باکتری‌ها چیزی حدود ۴/۴۹ تا ۴/۰۵ بیلیون سال پیش بوده است.
به عبارتی، همانطور که در سال‌های اخیر مطرح شده بود، باکتری‌ها قدیمی‌تر از ارکئاها هستند و نام «باستانی‌ها» برای آنها بامسمی‌تر است! اما این‌بار شاهد تجربی محکم‌تری قدیمی‌تر بودن ارکئاها را رد کرده است.
البته همانند سایر پاسخ‌های علمی نتایج قطعی نیست. ممکن است آرکئاهای قدیمی‌تری وجود داشته‌اند که شواهدی از آنها باقی نمانده، یا هنوز در اعماق اقیانوس‌ها زیست می‌کنند و کشف نشده‌اند.
حیات چگونه آغاز شد؟
از معماهای علم چگونگی آغاز حیات است. نظریه‌های متنوعی وجود دارد که از معروف‌ترین آنها «فرضیه‌ی جهان آر.ان.ای» است. مطابق این فرضیه قبل از پیدایی نخستین تک‌سلولی‌ها، آر.ان.ای‌هایی با قابلیت همانندسازی وجود داشته‌اند.
در مقاله‌ای که با حمایت ناسا در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم [امریکا] منتشر شده شواهدی گزارش شده که این فرضیه را تقویت می‌کند. در زیر شرح خبر را می‌بینید.
طرح مسئله: نظریه‌ی داروین توضیح می‌دهد که وقتی نخستین تک‌سلولی‌ها شکل گرفتند چگونه جهان زیستی از طریق فرایندهای تکاملی تنوع یافت. اما داروین به ما نمی‌گفت که حیات چگونه آغاز شده است. با این حال، تکامل‌دانان بعدی در قرن بیستم تلاش کردند که سازوکارهای تکاملی را برای شکل‌گیری حیات بر روی زمین نیز به‌کار گیرند.
در اَشکالِ رایجِ تکامل، زادگانِ موجودات زنده خصیصه‌هایی را از والدین خود به ارث می‌برند. هرچند این توارث عموماً کامل نیست و با «خطاهایی» همراه است اما آن‌قدر کامل است که خصیصههای کارآمد حفظ شوند. در نتیجه، زادگان به والدین شباهت دارند، و در جنبه‌هایی نیز با آنها متفاوت‌اند. توارث و تنوع، هر دو برای انتخاب طبیعی لازم‌اند.
حالا اگر قرار باشد برای تولیدمثل، در جهانِ پیشاسلولیِ مملو از آر.ان.ای‌ها، تبیینی تکاملی عرضه کنیم باید توضیح دهیم که اولاً چگونه آر.ان.ای در این جهان همانندسازی می‌کرده و ثانیاً این همانندسازی در مواردی کامل نبوده و به تنوع‌های جدید، اجازه‌ی شکل‌گیری می‌داده است. قسمت دوم مشکل‌ساز نبوده است؛ زیرا وجود خطا در همانندسازی اجتناب‌ناپذیر است. از زمان عرضه‌ی این نظریه، طی شش دهه‌ی گذشته، مشکل اصلی در بخش نخست وجود داشته است: اینکه چگونه ممکن است همانندسازی آر.ان.ای به میزانی کم‌خطا باشد که طی زمانی کوتاه و با چندبار همانندسازی به‌طورکلی تبدیل به توالی‌های جدیدی نشود و کارکردهای اولیه را به مقدار زیادی حفظ کند؟
راه‌حل: مقاله‌‌ی جدید از طراحی نوعی ریبوزوم خبر می‌دهد که قادر است این کار را انجام دهد. بنابراین این یافته نشان می‌دهد که انتخاب طبیعی چگونه می‌توانسته در جهان آر.ان.ای کار کند. اکنون مکانیسمی داریم برای توضیح اینکه چگونه یک آر.ان.ای کوچک می‌تواند خود را به نحوی نسبتاً کامل بازتولید کند.
اهمیت این یافته: اگر مدل عرضه شده در این مقاله در عمل و در محیط آزمایشگاهی کار کند اولاً گام مهمی است برای تبیین چگونگی آغاز حیات؛ و ثانیاً گامی برای خلق حیات در محیط آزمایشگاهی خواهد بود.
حالا دیگر آغاز پیدایی حیات بر روی زمین کمتر رازآلود است و تبیین‌های طبیعی‌گرایانه‌ی قوی‌تری در اختیار داریم.
گامی دیگر در تبیین آغاز حیات: گذار از جهان شیمیایی به جهان زیستی
وقتی سخن از آغاز حیات بر روی زمین است معمولاً مهم‌ترین پرسش این است که چگونه نخستین اشکال حیات شکل گرفت.
اما پرسشی، به همان میزان از اهمیت، این است که چگونه نخستین ملکول‌های آلی، از جمله نخستین آر.ان.ای‌ها که پیچیده، بزرگ، و ناپایدار هستند شکل گرفتند. و باز مقدم بر این پرسش می‌توان پرسید که اصلاً چگونه بلوک‌های سازنده‌ی این ملکول‌های آلی شکل گرفتند؟ مثلاً نوکلئوتیدهای سازنده‌ی آر.ان.ای‌ها چگونه ایجاد شدند؟ (هرچند پرسش از اینکه چگونه اتم‌ها و مولکول‌های ساده‌تر شکل گرفتند پرسشی بسیار جالب است اما در حوزه‌ی زیست‌شناسی مطرح نمی‌شود و در فیزیک و شیمی به دنبال پاسخی برای آنها هستند.)
اگر پاسخ همه‌ی این پرسش‌ها را بدانیم تا خلق کامل حیات در آزمایشگاه راه زیادی نداریم. در مسیر برعکس، اگر موفق به ساخت نوکلئوتیدهای مصنوعی در آزمایشگاه شویم می‌توانیم تبیین‌هایی احتمالی برای پیدایی نخستین نوکلئوتیدها بر روی زمین عرضه کنیم.
اکنون پژوهشگران دانشگاه کلن موفق به انجام این کار شده‌اند و برای نخستین‌بار شاهد تولید نوکلئوتیدهای مصنوعی در آزمایشگاه هستیم. چهار نوکلئوتید سازنده‌ی دی.ان.ای، که نقش مهم‌ترین ملکول‌های آلی را دارند، نقشی معادل صفر و یک را در اطلاعات دیجیتال بازی می‌کنند. اطلاعات ژنتیکی از کنار هم قرارگرفتن آنها شکل می‌گیرد و به زبان پروتئین‌ها ترجمه می‌شود و شکل‌گیری سایر ملکول‌های حیاتی نیز به نحوی وابسته به اطلاعات مندرج در آنها است.
هر چند کلیتِ حیات به‌نحوی مبتنی بر اطلاعات مندرج در توالی‌های دی.ان.ای است اما کلیه‌ی فرایندهای حیاتی قابل تقلیل به اطلاعات مندرج در رشته‌های دی.ان.ای یا آر.ان.ای نیست. و البته از این سخن نباید نتیجه گرفت که پس نمی‌توان تبیینی طبیعت‌گرایانه برای شکل‌گیری حیات بر روی زمین عرضه کرد.
تقلیل‌گرایی و کل‌گرایی: مکمل، و نه رقیب
اگر بخواهیم کارکرد یک ماشین را بدانیم منطقی است که در یک مسیر پژوهشی باید کارکرد اجزای آن را بدانیم. همچنین اگر بخواهیم از چگونگی شکل‌گیری آن ماشین سخن بگوییم باید از چگونگی و تاریخ شکل‌گیری اجزای آن نیز آگاهی داشته باشیم. اما این عقب رفتن حدی دارد. مثلاً وقتی به سراغ تولید نخستین اتومبیل توسط کارل بنز می‌رویم دیگر به‌طور متعارف به سراغ تاریخ ایجاد چرخ نمی‌رویم. وقتی این رویکرد را در تبیین حیات بر روی زمین به‌کار بگیریم به معنای آن است که باید توضیح دهیم ابتدا چگونه نخستین مولکول‌های آلی شکل گرفتند (و لازم نیست از چگونگی شکل‌گیری نخستین اتم‌ها و مولکول‌ها در کیهان سخن بگوییم).
بنابراین به‌خلاف آنچه شایع شده است رویکرد تقلیل‌گرایانه نقاط قوت زیادی دارد، اما چرا رسیدن به فهم درستی از شکل‌گیری حیات به رویکردِ کل‌گرایانه‌یِ رقیب نیز نیازمند است؟
مجدد مثال ماشین را در نظر آوریم. اگر کسی بپرسد چرا لاستیک‌های اتومبیل به شکل بادی درآمدند یا چرا برف‌پاک‌کن در اتومبیل نصب شد، این‌بار نمی‌توانیم با توضیح ساختار جزئی‌‌تر لاستیکِ اتومبیل یا برف‌پاک‌کن توضیح دهیم که چرا این ساختارها شکل گرفته‌اند. این‌بار به سراغ تعامل ساختارهای یادشده با محیط بیرونی می‌رویم و از کارکرد آن ساختار، در کلیت اتومبیل و مسئله‌ای که حل می‌کرده است سخن می‌گوییم.
در تبیین شکل‌گیری حیات بر روی زمین نیازمند هر دو رویکرد تقلیل‌گرایانه و کل‌گرایانه هستیم. هم باید توضیح دهیم که اجزای هر سیستم پیچیده‌ی زنده از چه ساخته شده‌اند و به چه علتی ساخته شده‌اند. و هم باید توضیح دهیم که این اجزا چگونه کنار هم قرار گرفتند و در آن مجموعه‌ی بزرگتر چه کارکردی پیدا کردند و آن کارکرد در تعامل با محیط پیرامون چه قابلیت‌هایی برای آن سیستم پیچیده‌تر فراهم می‌کرده است.
بابت مطالعه‌ی یافته‌های دیگری در تبیین حیات، اینجا و اینجا را ببینید.